基于ZigBee技術(shù)的電壓采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊芬群，楊前軍

(溫州大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，浙江 溫州325035)

智能電網(wǎng)是世界電網(wǎng)發(fā)展的新趨勢，國內(nèi)外均給予了極大關(guān)注，這給用戶端低壓電器提供了一次很好的發(fā)展機遇[1]。智能化低壓電器在應(yīng)用中常需要進行電壓的采集并實現(xiàn)實時監(jiān)測，利用有線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電壓采集時，存在布線困難等缺點，尤其是在一些原本電線就較多較為復(fù)雜的電器中，這種缺點帶來的布線困難不言而喻。隨著射頻技術(shù)的發(fā)展，無線通信的應(yīng)用越來越廣泛，其中，ZigBee無線技術(shù)被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、家居等領(lǐng)域，獲得了較好的效果。利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)智能低壓電器的電壓采集，系統(tǒng)接線簡單，相對于傳統(tǒng)的布線節(jié)省了成本，修改檢測節(jié)點方便，并且檢測節(jié)點具備通用性，便于改變檢測設(shè)備和檢測位置。

1 電壓采集系統(tǒng)的介紹

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是無線傳感網(wǎng)絡(luò) （WSN）的一種實現(xiàn)，是一種短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用全球通用頻段 2.4 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為 10 kb/s～250 kb/s，其工作基礎(chǔ)是IEEE802.15.4[2]。同樣基于該標準的WSN協(xié)議還有6LoW-PAN、ISA100、RF4CE等。與這些技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)更簡單、實現(xiàn)成本更低，其主要特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備[3]。

目前ZigBee的解決方案主要有兩種，一種是單片機加上ZigBee射頻芯片的組合解決方案，另一種是片上系統(tǒng)SoC（System on Chip）單芯片解決方案。前者能夠靈活搭配，后者可以節(jié)省整個系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的性能。

1.2 電壓采集系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)包含兩類節(jié)點：傳感器節(jié)點（路由設(shè)備/終端設(shè)備）和匯聚節(jié)點（協(xié)調(diào)器）。前者按照需要安裝在指定的位置，負責采集數(shù)據(jù)并進行預(yù)處理，同時還能實現(xiàn)路由功能，轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)包；后者負責網(wǎng)絡(luò)的建立以及維護，并接收傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，進行相應(yīng)處理后通過串口傳送給終端并顯示。通過終端，用戶可以看見每個節(jié)點當前采集到的電壓數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布置了一定數(shù)量的具有Zig-Bee無線通信功能的傳感器節(jié)點，這些節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼方式將采集到的數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過串口與終端相連，在終端上顯示采集的數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點是整個系統(tǒng)的基本單元，硬件選用SoC單芯片解決方案實現(xiàn)ZigBee通信。系統(tǒng)采用的控制芯片是 STM32W108[4]無線射頻單片機，該芯片是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器(MCU)與無線射頻結(jié)合的SoC，內(nèi)部既有一般MCU的通用資源和外設(shè)，也有特殊的射頻模塊。由于無線射頻的特殊性，本系統(tǒng)未進行專門的STM32W 108硬件設(shè)計和2.4 GHz天線設(shè)計，而是直接采用上海慶科信息技術(shù)有限公司推出的STM32W108應(yīng)用模塊 EMZ3118[5]，如圖2所示，該模塊帶外部射頻功率放大器(PA)，最大輸出功率為 20 dBm(100 mW)，接收靈敏度為-103 dBm，工作電流分別為190 mA(發(fā)射)、41 mA(接 收)、0.82 μA(休 眠)。 采 用 EMZ3118 模塊直接進行開發(fā)，有利于節(jié)約成本與時間。

圖1 電壓采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 STM32W108應(yīng)用模塊EMZ3118

2.1 節(jié)點控制電路

從硬件角度看，傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點控制部分的電路相同，如圖3所示。電路包括EMZ3118模塊、晶振電路、按鍵電路（RST為強制復(fù)位按鍵，S1為允許/加入網(wǎng)絡(luò)按鍵）、LED電路及JTAG電路等。其中ADC為模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口，RXD、TXD為串口通信發(fā)送接收端口。

2.2 傳感器節(jié)點干電池電路與信號采集電路

傳感器節(jié)點由兩節(jié)5號干電池供電，節(jié)點還包括電壓采集電路，如圖4所示。

STM32W108單片機的ADC單端輸入范圍最大為0～+VDD_PADS（供電電壓）。芯片的供電電壓為2.1 V～3.6 V，實際采用兩節(jié)5號干電池供電。為了保護ADC端口，本設(shè)計限制ADC端口輸入為0～2.1 V。

圖3 節(jié)點控制電路原理圖

圖4 干電池電路與電壓采集電路

采集電壓時，利用電阻分壓進行衰減，使得ADC的輸入電壓在0～2.1 V，同時使用鉗位二極管進行保護。這里取 R1為 9 kΩ，R2為 1 kΩ，INPUT端輸入電壓限制為 0～21 V。

2.3 匯聚節(jié)點USB轉(zhuǎn)串口電路與3.3 V穩(wěn)壓電路

匯聚節(jié)點主要任務(wù)之一是收集傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，在測試期間必須處于正常工作狀態(tài)，其中一個必要的保證就是電源。由于本設(shè)計中匯聚節(jié)點通過miniUSB接口與終端機相連，故匯聚節(jié)點直接從USB端口取電(5 V電壓經(jīng)3.3 V穩(wěn)壓后給單片機供電)，這樣就從電源方面保證了匯聚節(jié)點的正常工作。匯聚節(jié)點利用USB轉(zhuǎn)串口芯片F(xiàn)T232R實現(xiàn)與終端機的通信，如圖5所示。

圖5 USB轉(zhuǎn)串口電路與3.3 V穩(wěn)壓電路

3 軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點的交互過程如圖6所示，程序設(shè)定匯聚節(jié)點每隔60 s發(fā)送一次廣播尋找新的節(jié)點，傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后每隔20 s給匯聚節(jié)點發(fā)送一次采集的數(shù)據(jù)。一旦3次沒有正常發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點會自動斷開并尋找新的匯聚節(jié)點，并在地址表中刪除該節(jié)點的信息。

兩種節(jié)點的主函數(shù)流程圖相似，如圖7所示。

其中，初始化包括硬件初始化、協(xié)議棧初始化、初始化是否完成的判斷以及打印啟動信息等；emberTick()是協(xié)議棧的一部分，需要周期性被調(diào)用；傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點的applicationTick()函數(shù)流程圖如圖8所示，傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送在applicationTick()函數(shù)中處理，而匯聚節(jié)點接收數(shù)據(jù)在emberIncomingMessageHandler()中處理，該函數(shù)被emberTick()調(diào)用。

4 測試結(jié)果

在實驗室常溫狀態(tài)下，對0～21 V的直流電壓的采集進行了測試，測試結(jié)果如表1所示（MY65數(shù)字萬用表測得1 kΩ電阻與9 kΩ電阻實際值為0.986 9 kΩ和9.136 kΩ，軟件編程計算參數(shù)以該數(shù)據(jù)為準），表中實際值為萬用表測得的結(jié)果，顯示值為終端上顯示的數(shù)據(jù)。

表1 電壓采集系統(tǒng)0～21 V測試結(jié)果

從表1中可以看出，電壓采集的誤差較小，誤差主要產(chǎn)生在ADC采樣和軟件計算的過程中。同在常溫下，針對12 V電壓，對系統(tǒng)測試60 h，表2為部分測試數(shù)據(jù)。

表2 電壓采集系統(tǒng)12 V/60 h測試結(jié)果

從表2可以看出，傳感器節(jié)點采集12 V電壓經(jīng)無線傳送給匯聚節(jié)點，經(jīng)60 h測試，誤差較小，系統(tǒng)較為穩(wěn)定。

基于ZigBee技術(shù)的電壓采集系統(tǒng)中傳感器各節(jié)點自組織形成無線網(wǎng)絡(luò)，通過STM32W無線射頻ZigBee單片機將采集的電壓數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點。實驗證明，數(shù)據(jù)誤差較小，較為穩(wěn)定，可移植性強，實現(xiàn)了ZigBee技術(shù)在電壓采集中的應(yīng)用。但是本系統(tǒng)測試在實驗室進行，僅對0～21 V直流電壓進行測試，如果在實際中應(yīng)用，電壓采集部分還需要重新設(shè)計以適應(yīng)更多場合，另外，其穩(wěn)定性、可靠性還需要進行更加全面的測試。

[1]尹天文，張揚，柴熠.智能電網(wǎng)為低壓電器發(fā)展帶來新機遇[J].低壓電器，2010(2)：1-4.

[2]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]沈建華，郝立平.STM32W無線射頻ZigBee單片機原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[4]STMicroelectronics.STM32W108HB STM32W108CB DataSheet[S].http：//www.st.com/mcu，2010.

[5]EMZ3XX8可編程模塊數(shù)據(jù)手冊V2[S].http://www.mxchip.com/，2011.